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回弹是弯曲卸载过程产生的反向弹性变形，是板料成型过程中存在的一种普遍现象，它直接影响到冲压件的尺寸精度。在冲压模具制造中，也是最为棘手的难题，因为传统依赖于经验公式的方法无法准确地预测回弹，传统中对于冲压件的回弹，其能靠反复的修模、试模来进行补偿，需要耗费大量的人力和物力，而且难以保证产品品质因此，对影响回弹的因素进行系统的研究，对提高冲压件的产品质量及生产效率具有重大意义．从50年代开始，许多学者对回弹现象从理论方法、实验方法、数值模拟及回弹控制方法等方面进行了大量的探讨。早期的回弹研究以实验和解析方法为手段，研究对象局限于较为简单的几何形状和边界条件的弯曲成型50年代的工作以Hill为代表，由于可以得到回弹量的解析表达式，这对于揭示回弹形成机理，弄清影响回弹量的主要因素具有指导意义．因此，后来不断有学者采用更为准确的模型解析求解弯曲问题的回弹量，但对于复杂零件，如汽车覆盖件的回弹问题，一般的解析方法则无能为力。 70年代起，有限元法开始应用于板料成型过程的模拟，可以准确地预测成型过程中拉裂和起皱现象，但复杂成型件的网弹仍是一个极具挑战性的课题．许多学者在模拟回弹过程方面做了大量工作，如Duetal采用静态隐式算法和动-静态联合算法计算轿车顶弧成型和后加强板切边时的回弹，Finnet al采用动-静态算法计算轿车前翼子板成型中的同弹，Kawka etal进行复杂零件的多步成型回弹的cae仿真研究．板料成型数值模拟国际会议Nu-MISHEET把回弹研究放在非常重要的位置，其benchmark考例1993年为U形件拉深回弹，1996年为S形大梁冲压回弹，1999年为轿车前门多步成型回弹。 1 回弹产生的机理 为说明回弹的形成机理，以等截面梁的纯弯曲为例进行研究。设梁具有一个纵向对称平面，且在这个平面内受到一对弯矩M的作用，如图l所示。由于采用平截面假定，两个横截面A1B1和A2B2在弯矩作用下作相对旋转但仍皆垂直于梁的对称平面。于是凸面的纵向纤维受拉伸而凹面B1B2的纵向纤维受压缩在垂直于对称平面的某一平面N1N2上纤维保持长度不变，称之为中性平面(neutralsurface)，它将梁内受拉纤维和受压纤维分开。 图1 等截面直梁的纯弯曲 在弯矩M的作用下，材料产生弹塑性变形，卸载后由于弹性变形的恢复，梁的曲率会减少，这种现象就是回弹(springback)。 2 回弹的数值模拟方法 基于有限元理论的回弹计算方法主要有两种，即无模法(在成型结束时，去除模具代之以接触反力，进行迭代计算，直到接触力为零)和有模法(在成型结束时，让模具反向运动，直到凸模完全与板料脱离为止)。两种方法的计算结果区别不太大，无模法适用于成型零件形状比较简单，零件与冲压成型模具脱离过程接触边界条件的非线性较弱，或者没有明显的脱离过程的情况；有模法适用于成型零件形状比较复杂，在卸载过程中零件与冲压成型模具脱离过程存在明显的非线性接触边界条件的情况。 无模法的具体计算方法是：在弯曲成型过程结束时，去除模具，使所有和模具接触的节点均成为自由节点，将按弹塑性有限元法计算得到的弯曲加载过程最后一步的结果，按照反向原则，将其转化为卸载过程节点力的初始值由于板料零件此时处于无边界约束状态下，为防止出现刚体位移，需要施加位移以及转动约束边界条件．对V型件等自由弯曲而言，其零件形状简单，在卸载过程中零件与冲压成型模具没有明显的脱离过程,所以根据上述位移边界条件，按照弹性有限元法，一次性卸载计算回弹。 3 影响回弹的因素 本文用NUMISHEET’93标准算例，采用仿真计算的方法，系统地研究了曲率半径、摩擦系数、拉延筋、压边力、材料性能和板料厚度等因素对回弹的影响，其几何模型描述如图2所示．回弹是卸载时冲压件内应力再分配的结果，冲压件各处的应力状况不同，回弹量也不一样，为比较不同冲压条件下U形件的回弹量大小，以工件侧壁上距U型件底面15mm处一点的切线方向与竖直方向夹角作为回弹参考角来进行比较，如图3所示的角。 3．1 弯曲圆角半径 在其它条件不变的情况下，改变U型件的圆角半径分别进行冲压cae仿真计算，图4～6为不同的弯曲圆角半径时的回弹仿真结果．从图7可以看出，弯曲半径越大，回弹量也越大这是因为在弯曲角一定的情况下，弯曲半径越大，变形区长度就越长，因而回弹角也越大。 图6 弯曲半径R=8的回弹仿真结果 图7 回弹角与弯曲半径R的关系 3．2摩擦系数 冲压过程中，模具与接触的板料间有摩擦作用，摩擦力的大小除了与接触力有关外，还与界面间的润滑状态相关。图8～10是在不同的摩擦状态下回弹的cae仿真结果。材料弯曲变形过程中，内、外表面分别产生压应力和拉应力，由于摩擦力的作用可增大拉应力变形区，使内、外表面的应力状态趋向一致，因而摩擦力越大，回弹量减小，图“曲线表明，这一变化关系。 3．3 拉延筋的作用 使用拉延筋后，对回弹的拟制作用非常明显，如图12～14所示。并且随着拉延筋约束作用的增强，回弹量呈减少趋势，图15所示。这是因为拉延筋有效地阻碍材料向凹模里流动，增大了材料的拉伸效果，特别是在容易产生回弹的弯曲角部，使得角部内面压应力的作用区域向拉应力区转移，回弹显著减少。 3．4 压边力 压边力是冲压成型的一项重要的工艺措施，通过压边力的优化，可以调整板料内材料的流动状况，改善材料内应力的分布。压边力的作用与拉延筋相似，也对回弹有很好的拟制作用，从图16～20可以看出，随着压边力的增大回弹量显著减少。
3．5 扳料厚度 如图21～23为不同厚度板料回弹cae仿真结果，从图24可以看出，板料厚度越大，回弹角越小。这是因为相同的弯曲角时，厚度大的板料表面应变和应力值较大，发生塑性变形的材料较多，因而回弹量会减少。
3．6 材料力学性能 仿真使用的三种材料SPCC，SPCE．frd．SPCE(日本材料标准)，它们的屈服强度依次降低，从图25～27的仿真结果也可以看出，它们的回弹量也是减少的趋势．这是由于在相同外载作用下，屈服强度越低的材料越容易产生塑性变形。
4 结论 本文采用数值模拟的方法，比较了曲率半径、摩擦系数、拉延筋、压边力、材料性能和板料厚度等因素对回弹的影响，可以获得以下有益的结论： (1)在诸多因素中，大的压边力对回弹的抑制作用最为明显，实际生产中，在不引起板料拉裂的前提下，可优先考虑采取增大压边力的方法来减少冲压件的回弹量； (2)拉延筋对回弹也有很好的控制效果，并且作为一种分布灵活，形状尺寸可调的工艺结构，使用拉延筋可以主动控制回弹的发生； (3)通过优化冲压模具的结构，也可以达到减少回弹的目的，如减少凹模圆角； (4)回弹在模具设计中是引起产品尺寸不合格的主要缺陷之一，只要有弯曲弹性变形．回弹就不可避免，因此研究各种因素对回弹的影响，可以帮助我们在生产中减少和控制回弹，但要保证产品的尺寸合格，还必须在模具设计时适当地补偿回弹。 |
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